Katedra Wytrzymaoci i Technologii MaszynAkademia Górniczo – Hutnicza
Temat: Wpyw technologicznych parametrów napawania brzu na podoe stalowe na wybrane
waciwoci uytkowe napoin
Promotor: prof. dr hab. in. Andrzej Skorupa
- Kraków 2007 -
Prof. dr hab. in. Andrzejowi Skorupie za kilkuletnie kierowanie
moim rozwojem naukowym, w szczególnoci za
za pomoc i cenne wskazówki przy realizacji tej rozprawy.
Autor
3. Proces i metody napawania brzem………………………………………………. 16
3.1. Proces
3.2.3. Napawanie metod TIG………………………………………………………… 21
3.2.4. Napawanie metod MIG………………………………………………………...23
3.2.5. Napawanie ukiem
metod
napawania………………………………………………………………………..
29
metod MIG/MAG……………………………………………………………………….
gazów majce wpyw na jako, geometri i wydajno procesu napawania……
33
4.2. Napicie
2
4.9. Biegunowo i rodzaj
4.12. Indukcyjno obwodu
6. Ocena przydatnoci danego gatunku brzu jako materiau dodatkowego
i stali jako materiau
6.2. Moliwo zastosowania okrelonego gatunku stali jako materiau
podoa…………………………………………………………………………………
pracy............................................
72
8. Materiay stosowane do bada…………………………………………………...... 75
9. Urzdzenia, aparatura i stanowisko wykorzystane do badania procesu
napawania brzu metod MIG…………………………………………………………
napawania………………………………………………………………………………..
90
10.2.2. Klasyfikacja planów
10.3. Wpyw technologicznych parametrów napawania na geometri napoiny
i gboko wtopienia w osonie czystego argonu…………………………………...
104
argonowo-helowych……………………………………………..................................
115
z brzu……………………………………………………………………………………
10.7.1 Badania metalograficzne………………………………………………………. 145
10.8. Badania
Olszewskiego i Mikoaja Benardosa w 1885r. umoliwio powstanie nowych
technologii czenia i nakadania metali na inne powierzchnie. Jedn z technologii
nanoszenia powok metalicznych jest napawanie, które umoliwia ksztatowanie
warstwy wierzchniej i optymalizacj wasnoci uytkowych czci maszyn.
Z dowiadczenia uytkowania maszyn wynika, e zuycie w postaci ubytków
geometrycznych w obrbie warstwy wierzchniej jest bardziej intensywne od
kontaktowego zuycia zmczeniowego, co stanowi podstaw moliwoci
wielokrotnej regeneracji przez napawanie. Koszty takiej regeneracji s czsto
nisze od kosztów wytworzenia nowych czci. Niezalenie od stosowania
napawania do regeneracji elementów zuytych, coraz czciej technik t stosuje
si przy produkcji nowych czci maszyn i urzdze, jako metod ksztatowania
wasnoci warstwy wierzchniej.
napawania jest brz. Zawdzicza to swoim wasnociom, a przede wszystkim
odpornoci na korozj i moliwoci zastosowania w wzach tarcia.
Spawanie i napawanie elektrod topliw w osonie gazu MIG/MAG jest
obecnie jednym z najpowszechniej stosowanych spawalniczych procesów
wytwarzania. Prawie zupeny brak publikacji dotyczcych napawania brzu na
podoe ze stali o ograniczonej spawalnoci metod MIG przyczyni si do podjcia
tej tematyki.
Jednym z celów pracy byo okrelenie oddziaywania technologicznych
parametrów napawania metod MIG na geometri ciegu i gboko wtopienia, co
pozwala na opracowanie zasad waciwego ich doboru w celu zwikszenia
wydajnoci i skrócenia czasu napawania z zapewnieniem zaoonych wczeniej
kryteriów jakociowych ukadanych napoin, bez stosowania dodatkowego,
specjalistycznego wyposaenia.
napawania, dobór odpowiedniego gazu lub mieszanki osonowej. Równie i ta
problematyka znalaza swoje odzwierciedlenie w pracy, szczególnie w postaci
4
i gboko wtopienia.
zaoone wczeniej kryteria jakociowe, zwizane z geometri napoin, gbokoci
wtopienia, struktur, twardoci, przyczepnoci do podoa, obecnoci wad
wewntrznych, a wreszcie wasnociami tribologicznymi.
5
Brzy s to stopy miedzi, których gównym skadnikiem stopowym (> 2%)
jest cyna, aluminium, krzem, mangan, oów lub beryl. S to odpowiednio brzy
cynowe, aluminiowe (brzale), krzemowe, manganowe, oowiowe lub berylowe.
Brzy zawierajce wicej ni jeden skadnik stopowy - wieloskadnikowe, nazywane
s brzami specjalnymi.
Barwa brzów zalena jest od skadu - poczwszy od ciemnoszarej (dla
brzów o duej zawartoci cyny), poprzez ót, czerwonoót, a do róowej,
podobnej do czystej miedzi. Pod wpywem czynników atmosferycznych brzy
powlekaj si patyn, chronic przed dalsz korozj.
Brzy o niewysokiej zawartoci gównego skadnika stopowego (np. 8%
cyny) s jednofazowe i plastyczne. Przy wikszej zawartoci skadnika stopowego,
a zwaszcza przy zawartoci jeszcze innych skadników stopowych, brzy maj
struktur dwufazow i s nieplastyczne. Kucie brzów jest do trudne zarówno na
zimno, jak i na gorco. Brzy typu odlewniczego maj dobre wasnoci odlewnicze
(odlewy w piasku, w kokilach, pod cinieniem). Obróbka skrawaniem rozwaanych
tworzyw jest na ogó atwa, wiór jest sypki. Niektóre brzy poddaje si obróbce
cieplnej (hartowaniu, a zwaszcza utwardzaniu dyspersyjnemu) w celu poprawienia
wasnoci mechanicznych [50].
odporno na korozj. Wikszo brzów jest odporna na korozj atmosferyczn,
wodn i na rodowisko roztworów soli. Brzy s odporne na dziaanie roztworów
zasadowych (wyczajc roztwory amoniakowe) i wielu kwasów, zwaszcza
o charakterze redukujcym. Natomiast nie maj one odpornoci na dziaanie siarki
i jej zwizków (tworzy si siarczek miedzi). Nie mona ich stosowa w temperaturze
powyej 200-260°C [8,11,41]. Brzy stosowane s równie do nakadania powok
ochronnych na powierzchnie pracujce w warunkach zuycia adhezyjnego, erozji,
kawitacji i obcienia udarowego [32,11,41]. Brzy krzemowe nie s uwaane za
dobre na powierzchnie lizgowe i dlatego uywane s tylko do zapewnienia
odpornoci na korozj [41] i obcienia udarowe [32]. Stopy miedzi z cynkiem
o umiarkowanej odpornoci na korozj wykorzystuje si na mikkie powierzchnie
none. Brzy cynowe i bardziej mikkie brzy aluminiowe (do 12% Al) stosuje si
na mikkie powierzchnie none i powierzchnie odporne na korozj.
6
wspópracujcej zaleca si stosowanie twardszych brzów aluminiowych
(powyej 12% Al) [8,11,41]. Brzy aluminiowe maj du odporno na obcienia
dynamiczne, pogarszajc si ze zwikszaniem zawartoci aluminium i zapewniaj
lepsz odporno na cieranie typu metal-metal w porównaniu ze stalami oraz do
dobr odporno korozyjn. Brzy typu Cu-Al-Mn-Ni cechuj si zwikszon
odpornoci na erozj, kawitacj i maj dobre wasnoci mechaniczne [32].
Typowe zastosowania brzów to naprawa odlewów z brzu oraz napawanie
duych rub okrtowych, toków hydraulicznych, prowadnic, oysk lizgowych,
motów, czci urzdze górniczych, zaworów, walców papierniczych, matryc
cigade, kó zbatych i zbatek. Brzy aluminiowe (13÷15% Al) s stosowane do
napawania prowadnic duych cinieniowych maszyn odlewniczych [32,11,41].
Napawanie warstw wierzchnich brzem stosuje si w celu nadania
odpowiednich wasnoci uytkowych powierzchni lizgowych oysk i suwaków
rónych elementów maszyn, powierzchni uszczelniajcych w przemysowej
armaturze wodnej oraz parowej, a take w wirnikach pomp odrodkowych [20,59].
Brzy i inne stopy miedzi stosowane jako materiay dodatkowe do
napawania, wraz z ich waciwociami i zastosowaniem przedstawiono
w tablicy 2.1.
Tablica 2.1 Brzy i inne stopy miedzi do napawania, ich waciwoci i zastosowania [8,11]
Waciwoci mechaniczne
7
Tablica 2.1 Brzy i inne stopy miedzi do napawania, ich waciwoci i zastosowania - cd.
Waciwoci mechaniczne
Zn 1,5 max.,
max, inne 0,5
405 140 80a,e,100a,d
inne 0,5, Cu reszta
oyska i powierzchnie odporne
Cu reszta 455 84 90a,e,110a,d powierzchnie none
CuSnE Pb 14-18, Sn 5-7,
P 0,3-0,5, Cu reszta 140 35 50a,e
tylko na manice lokomotyw
uwzgldniajc porowato w celu
zatrzymania oleju
CuAlA-1 Al 6-9, Cu reszta 730 110 125b,d powierzchnie odporne na korozj
CuAlA-2 Al 9-11, Fe 1,5 max.,
Cu reszta 840 175 150b,c,160b,d oyska i powierzchnie odporne
na korozj
CuAlC Al 12-13, Fe 3-5,
Cu reszta 1000 315 200b,c,269b,d
oyska i powierzchnie odporne
powierzchnie none
Brz NiAl
i erozj
a dla 500 kg obcienia podczas pomiaru twardoci, b dla 3000 kg obcienia podczas pomiaru twardoci, c dla napoin
uzyskanych metod MMA, d dla napoin uzyskanych napawaniem w osonie gazu obojtnego, e dla napoin uzyskanych
napawaniem acetylenowo-tlenowym
Wykorzystanie brzu obejmuje take wykonanie zastpczych czci maszyn
i urzdze ze stali o napawanych powierzchniach brzem zamiast z miedzi lub
brzu [8].
podou stalowym moe by japoska walcarka czteroklatkowa do blach znajdujca
si w Hucie im. Tadeusza Sendzimira. Warstwy z brzu w tej walcarce
wykorzystywane s jako powierzchnie uszczelniajce i lizgowe. Elementy
zawierajce warstwy z brzu podlegajce naprawie - regeneracji to:
- nakadki poduszek tzw. „lizgi” (rys. 2.1),
- apa poduszki górnej (rys. 2.2),
- wspornik poduszki (rys. 2.3),
- cylinder (rys.2.4) i nurnik (rys. 2.5) wyginania ujemnego walca oporowego.
Nakadki poduszki (rys. 2.1) posiadaj warstwy z brzu BK31 lub cynowego
CuSn6 o gruboci 3 mm naoone na materia odpowiadajcy stali St3S.
Nastpnym elementem, którego regeneracja jest moliwa przez napawanie brzem
jest poduszka górna walcarki (rys. 2.2). Na apach poduszki znajduj si warstwy
z brzu ulegajce zuyciu. Skad chemiczny staliwa, z którego wykonano poduszk
jest zbliony do skadu chemicznego stali gatunku 45. Naoona warstwa o gruboci
3 mm wykonana bya z brzu aluminiowego BA1032. We wsporniku poduszki
(rys. 2.3) wykonanym ze stali gatunku 45 zastosowano warstwy z brzu BA1032
o gruboci 2,5 mm. Kolejnymi elementami walcarki posiadajcymi warstwy z brzu
byy cylinder (rys. 2.4) i nurnik (rys. 2.5). Cylinder i nurnik wykonane s ze stali
gatunku 45. Cylinder w miejscach styku z nurnikiem we wczeniejszych latach
napawano brzem BA1032, a obecnie brzem BK31. Nurnik pokryty jest brzem
BA1032. Oba elementy maj warstwy brzu o gruboci 1,5 mm. Nakadki poduszki
naprawiano do tej pory przez planowanie powierzchni roboczej z brzu i dodawanie
pod nakadk blachy o gruboci 0,5-2 mm, równej gruboci zebranej warstwy
brzu. Druga metoda naprawy polegaa na przykrcaniu na stalow pyt blachy
z brzu o odpowiedniej gruboci. Trzecia, najdrosza metoda naprawy, polegaa na
wykonaniu caej nakadki poduszki walcarki z brzu BK31. Pozostae elementy
regenerowano w wikszoci przypadków przez napawanie elektrod otulon
ECuSn7 o rednicy 4 lub 3,2 mm produkcji Zakadu Dowiadczalnego Instytutu
Spawalnictwa w Gliwicach lub przez napawanie plazmowe brzem. Metoda
9
napawania elektrod otulon nie bya wydajna i nie nadawaa si do wszystkich
elementów. Natomiast napawanie plazmowe byo bardzo kosztowne gównie ze
wzgldu na cen proszku.
Rys. 2.1. Nakadka poduszki
Rys. 2.2. Poduszka górna
przez napawanie warstw brzu metod MIG.
Powysze zastosowania dotyczyy regeneracyjnego nanoszenia warstw
z brzu. Przykadami wykonywania nowych elementów poprzez napawanie brzem
elementów stalowych moe by zastpowanie w trakcie remontów maszyn
zuytych tulei z brzu, tulejami wykonanymi ze stali z napawan warstw z brzu.
Tuleje te wystpuj np. w poczeniach sworzniowych maszyn budowlanych
(rys. 2.6 -13). Na tulej stalow napawa si najczciej brz aluminiowy lub dla
mniej obcionych pocze brz cynowy.
Rys. 2.6. Koparka koowa Liebher Rys. 2.7. Poczenie ramienia z yk
12
Rys. 2.8. Koparko - adowarka Rys. 2.9. Poczenie ramienia z yk
czoow
tyln
13
Na rysunku 2.14 przedstawiono wymiary tulei brzowej stosowanej
w koparce Menck 250H. Nowe tuleje wykonywano ze stali R35 lub St3S,
z napawan warstw brzu aluminiowego lub cynowego metod MIG w osonie
czystego argonu.
a)
b)
Rys. 2.14. Wymiary tulei z brzu wystpujcej w koparce Menck 250: a) tuleje
wykonane w caoci z brzu, b) tuleje stalowe z warstw napawan brzem
(miejsca zaczernione)
Innym przykadem wykorzystania napawania brzem metod MIG
w ostatnich latach by projekt zastpienia, w jednej z polskich hut, wkadu
wahliwego cznika przegubowego walcarki (duo „0”) (rys. 2.15) wykonanego
w caoci z brzu BA1032 wkadem wykonanym ze stali St3 z napawanymi brzem
BA 1032 metod MIG powierzchniami roboczymi. Podobne przedsiwzicia
realizowano równie praktycznie w latach pidziesitych ubiegego stulecia
regenerujc wkady wykonane ze staliwa lub brzu BA1032 (rys. 2.16) przez
napawanie ukiem krytym powierzchni roboczych brzem CuSn7P [5].
14
Rys. 2.16. Wkad wahliwy cznika przegubowego zgniatacza z napawan
powierzchni robocz [5]
3.1. Proces napawania
Napawanie jest procesem spawalniczym, w którym stopiwo ukadane jest na
powierzchni materiau rodzimego (podstawowego) przy jednoczesnym podtopieniu
podoa, w celu nadania przedmiotowi wymaganych wymiarów albo wytworzenia na
nim warstwy powierzchniowej o specjalnych wasnociach takich, jak odporno na
zuycie (zwaszcza cierne), uderzenia, czy korozj. Napawanie wykorzystywane
jest w naprawach, aby przywróci czciom maszyn lub urzdze przydatno do
eksploatacji (napawanie regeneracyjne), bd te moe ono wystpowa
w procesie produkcyjnym nowych wyrobów (napawanie technologiczne) [9,69].
Cech odróniajc proces napawania od innych metod nanoszenia powok
metalicznych jest przetopienie materiau podoa, na które nakada si napoin.
Spenienie tego warunku jest istotne dla uzyskania odpowiedniej gbokoci
wtopienia gwarantujcej przyczepno napawanej warstwy z materiaem podoa.
Wasnoci strefy wtopienia, bdcej warstw przejciow pomidzy napoin
a materiaem podoa, maj zasadniczy wpyw na wynik napawania. Kluczowe
znaczenie posiada gboko wtopienia i stopie wymieszania materiau podoa
z napoin, który zaley midzy innymi od skadu chemicznego obu tych materiaów.
Wielko obszaru wtopienia wpywa równie na przebieg nagrzewania graniczcej
z nim bezporednio strefy materiau podoa, pocigajc za sob powstanie
nowych struktur i zmiany wasnoci materiau rodzimego.
Rys. 3.1. Strefa napawana [65]
Stref napawan z wszystkimi jej elementami przedstawiono na rys. 3.1.
W napoinie, a zwaszcza w jej górnej czci, wystpuje prawie czyste stopiwo
uytego materiau dodatkowego, za dolna cz stopiwa czciowo miesza si
z materiaem podoa tworzc, tak jak w przypadku spawania, stref wtopienia.
16
Linia przejcia jest umown, chocia czasem bardzo wyran, granic pomidzy
materiaem podoa i stopiwem materiau dodatkowego.
Zmiana stenia skadników materiau rodzimego w napoinie zmniejsza si
od 100% na linii przejcia do 0% poza stref wtopienia, w miar oddalania si od
linii przejcia i materiau rodzimego Przebieg tej zmiany zaley od wymiarów
(gruboci) napawanej warstwy. Ssiadujcy z napoin obszar materiau rodzimego
nagrzany ciepem dostarczonym w procesie napawania - strefa wpywu ciepa –
posiada struktury uzalenione od temperatury, jak uzyskay poszczególne
warstwy. Struktury te zmieniaj si w miar oddalania si od linii przejcia a do
osignicia nienaruszonej struktury materiau podoa. Poniej linii przejcia
wystpuje waciwie tylko materia rodzimy [65].
Technologie napawania, jak wspomniano o tym wczeniej, charakteryzuje
stopienie metalurgiczne napawanej powoki (napoiny) z nadtopionym materiaem
podoa. Stopie wymieszania jest okrelany za pomoc wspóczynnika udziau
metalu podoa w napoinie. Udzia metalu podoa w napoinie Up jest to stosunek
powierzchni przekroju nadtopionego metalu podoa Fw do sumy powierzchni
przekroju nadlewu napoiny Fn i metalu podoa Fw (rys. 3.2) [32,49].
wn
= ·100% (3.1)
Rys. 3.2. Podzia napoiny na pole przekroju nadlewu napoiny Fn i pole przekroju
nadtopionego metalu podoa Fw [32]
Nastpny wskanik charakteryzujcy proces napawania, to wydajno
napawania Wnap, okrelany jest jako masa warstwy napawanej w jednostce czasu;
najczciej podaje si go w kg/h. Proces napawania mona równie okrela przez
powierzchniow wydajno napawania Wpow, wyraajc pole powierzchni
napawanej w jednostce czasu [m2/h] oraz innymi wskanikami, jak szeroko
i grubo napawanej warstwy w jednym przejciu [49].
17
Napawanie brzem mona przeprowadza rónymi metodami. Poniej
przedstawiono metody, które stosuje si podczas napawania regeneracyjnego lub
technologicznego.
Napawanie gazowe jest to nakadanie na powierzchni przedmiotu warstwy
ciekego metalu stopionego za pomoc pomienia gazowego - rys. 3.3.
Rys. 3.3. Schemat napawania gazowego i zalecane regulacje pomienia
acetylenowo-tlenowego; 1 - jderko, 2 - strefa redukcyjna, 3 - strefa utleniajca
(kita), 4 - palnik gazowy, 5 - pomie gazowy, 6 - prt, 7 – napoina [8]
Spoiwo mona stosowa w postaci drutu penego, proszkowego, odlanej
paeczki lub proszku metalicznego. Odmian napawania gazowego, w której
stosujemy ostatni z wymienionych materiaów dodatkowych jest napawanie
gazowo-proszkowe przedstawione na rys. 3.4.
Rys. 3.4. Schemat napawania gazowo-proszkowego [3]
Proszek metaliczny lub cermetalowy o ziarnistoci w zakresie 0,03÷0,1 mm
zasysany jest z pojemnika z proszkiem przez strumie gazu palnego i wylatuje si
wraz z nim w pomieniu gazowym na zewntrz palnika. Wydostajcy si z dyszy
18
palnika proszek ulega stopieniu ciepem pomienia gazowego i jest rzucany energi
kinetyczn gazów pomienia na nadtopione podoe, gdzie stapiajc si z metalem
podoa tworzy napoin [1,2,4,8,31,32,45,49,58].
W napawaniu gazowym prawie wycznie jako gaz palny wykorzystuje si
acetylen o temperaturze pomienia ok. 3100°C. Inne gazy palne (propan, propadien
metyloacetylenu, propan-butan, metan, gaz ziemny, gaz koksowniczy) ze wzgldu
na brak wyranie zarysowanych stref pomienia, brak moliwoci regulacji
pomienia od utleniajcego do nawglajcego, nisz temperatur pomienia
i wiksze zuycie tlenu do spalania w stosunku do acetylenu stosuje si
rzadko [8,32].
Napawanie gazowe pozwala na wykonanie napoin o wysokiej jakoci,
o gadkiej i równej powierzchni, minimalnym przetopieniu podoa i jego udziau
w powoce. Moliwe jest napawanie zarówno maych jak i duych powierzchni,
paskich oraz obrotowych, a take w miejscach trudno dostpnych. Najczciej
gazowo napawa si rcznie, ale proces moe by take prowadzony
póautomatycznie i automatycznie [8,32,58].
pomienia, od której zaley rodzaj chemicznego oddziaywania pomienia.
Natomiast jako napoiny w duej mierze wynika z precyzji prowadzenia palnika
w czasie nadtapiania podoa i stopiwa. W zalenoci od rodzaju napawanego
materiau oraz metalu spoiwa czsto jest konieczne podgrzewanie wstpne,
kontrola temperatury w czasie napawania oraz powolne chodzenie po napawaniu
lub nawet specjalna obróbka cieplna [8,44,49].
Metoda napawania gazowego umoliwia nanoszenie powok o praktycznie
dowolnym skadzie chemicznym na podoe stalowe, staliwne, eliwne oraz
z innych metali oraz stopów.
Zaletami napawania gazowego s niskie koszty wyposaenia stanowiska,
moliwo napawania skomplikowanych ksztatów, nawet o bardzo maej
powierzchni, a proces napawania moe by prowadzony w rónych pozycjach.
Grubo powok wykonanych w jednym przejciu wynosi od 0,02 do 3,5 mm,
a udzia materiau podoa w powoce 2÷10%, dziki czemu napoiny ju w pierwszej
warstwie uzyskuj wymagany skad chemiczny i wasnoci eksploatacyjne.
Wadami gazowego napawania s: konieczno bardzo starannego
przygotowania powierzchni przed napawaniem, czsto wymagane jest
19
niebezpieczestwo znacznych odksztace i napre spawalniczych oraz
niekorzystnych zmian strukturalnych w napawanych przedmiotach oraz niska
wydajno procesu 0,5÷5 kg/h zalena od techniki i uytego sprztu do
napawania [1,2,4,8,31,32,45,49,58].
Napawanie ukowe rczne elektrod otulon polega na stapianiu ciepem
uku elektrycznego materiau elektrody oraz materiau podoa, w rezultacie czego
powstaje powoka metaliczna o wymaganych wasnociach (rys.3.5.) [8,32,45].
Cech tego procesu jest moliwo nakadania materiau identycznego z podoem
lub o cakowicie odmiennym skadzie chemicznym i wasnociach uytkowych [58].
Rys. 3.5. Napawanie ukowe elektrod otulon [32]
Wysoka temperatura uku, dochodzca do 6000°C, nadtapia podoe
w takim stopniu, e udzia materiau podoa w napoinie jest do duy i mieci si
w granicach 10÷40% w zalenoci od techniki i parametrów napawania. Z tego
powodu dopiero trzecia warstwa powoki uzyskuje wymagany skad chemiczny
okrelony receptur elektrody otulonej. W jednym przejciu moliwe jest uoenie
warstwy o gruboci 1÷5 mm, a wydajno procesu wynosi 1÷5 kg/h. Napawa
mona prdem przemiennym lub prdem staym biegunowoci dodatni lub
ujemn. Elektrody otulone do napawania wykonuje si przewanie jako rednio- lub
grubootulone rutylowe, zasadowe, z rdzeniem penym lub proszkowym. Elektrody
20
z rdzeniem penym maj rednice 2,5÷6 mm, natomiast elektrody z rdzeniem
proszkowym 4÷11 mm. Wprowadzenie elektrod proszkowych rozszerza moliwoci
regulacji skadu napoiny, a dodatkowo dziki wikszej opornoci elektrycznej
rdzenia jest moliwy ponad 100% wzrost wydajnoci w porównaniu do napawania
elektrodami otulonymi z rdzeniem penym i znaczne skrócenie czasu
stapiania [8,32,45,58].
napawanych warstw w duej mierze zaley od zdolnoci manualnych
spawacza [32,49].
napawania w rónych pozycjach (równie przymusowych) oraz w warunkach
polowych. Napawa rcznie elektrodami otulonymi mona zarówno drobne jak
i due elementy, take o skomplikowanym ksztacie i utrudnionym dostpie do
napawanych miejsc.
proces prowadzony jest wycznie rcznie, a tym samym wystpuj czasy
pomocnicze na wymian elektrod i czyszczenie napoiny z ula. Naley si take
liczy z moliwoci powstania porów i pcherzy [2,4,45,49].
3.2.3. Napawanie metod TIG
obojtnego. Materia dodatkowy ulega stopieniu i tworzy napoin na nadtopionej
powierzchni przedmiotu (rys.3.6.). Materia dodatkowy mona podawa w postaci
drutu, prta penego lub proszkowego, albo tamy, proszku stapianych
bezporednio na napawanym podou [8,31,32,49]. Gazami ochronnymi w tym
procesie s zasadniczo argon i hel, a niekiedy w celu podwyszenia temperatury
uku stosuje si dodatek wodoru lub azotu w iloci 5÷10% (dodatek wodoru jest
jednak niedopuszczalny przy spawaniu aluminium, miedzi i ich stopów). Elektroda
nietopliwa wykonana jest z wolframu, a dla zwikszenia trwaoci, atwoci
zajarzania i stabilnoci jarzenia si uku stosuje si dodatki toru, cyrkonu, lantanu,
21
ceru, czy itru. Napawanie metod TIG prowadzi si zwykle prdem staym
z biegunowoci ujemn na elektrodzie, jedynie napawanie aluminium, magnezu
lub ich stopów wykonuje si z biegunowoci dodatni lub prdem
przemiennym [31,32].
Rys. 3.6. Napawanie w osonie gazów ochronnych elektrod nietopliw [32]
Stosowanie prdu staego zapewnia du stabilno uku, atwo regulacji
parametrów napawania i may udzia materiau rodzimego w napoinie, rzdu 5÷15%
przy wydajnoci 0,5÷2 kg/h dla napawania rcznego [31,32,49]. Zastosowanie
techniki napawania gorcym drutem nagrzewanym oporowo ze spawalniczego
róda prdu powoduje zwikszenie wydajnoci napawania do 5÷8 kg/h przy
równoczesnym zmniejszeniu przetopienia podoa, a tym samym mniejszego jej
udziau w napoinie. Dziki doskonaej osonie uku gazem obojtnym metal napoiny
ma bardzo wysok jako, a w jednym przejciu mona uoy warstw
o gruboci 1,5÷5,0 mm [31,32,45,49].
Metod TIG napawa si zasadniczo w pozycji podolnej lub przy pochyleniu
powierzchni napawanej pod ktem mniejszym ni 30°. Proces moe by
prowadzony rcznie, póautomatycznie lub automatycznie. Moliwe jest napawanie
przedmiotów wykonanych ze stali, eliwa, staliwa, stopów miedzi i stopów
aluminium. Napoiny ukada si ze stali wysokostopowych, oowiu, stopów niklu,
kobaltu, miedzi, aluminium [8,45] oraz cermetali [31,32].
22
Zaletami napawania metod TIG jest obojtny proces metalurgiczny, wska
strefa wpywu ciepa, may stopie wymieszania, brak rozprysków i ula. Wadami
s natomiast: konieczno napawania w pomieszczeniach zamknitych, oraz maa
wydajno (szczególnie dla procesu wykonywanego rcznie) [49].
3.2.4. Napawanie metod MIG
Napawanie metod MIG (zwane równie napawaniem GMA) polega na tym,
e jarzcy si uk pomidzy elektrod topliw a napawanym przedmiotem w osonie
gazu obojtnego stapia materiay elektrody i podoa, tworzce napoin - rys. 3.7.
Rys. 3.7. Proces napawania metod MIG/MAG drutem litym technik w prawo [32]
Gazami ochronnymi w metodzie MIG osaniajcymi dokadnie uk i jeziorko
spawalnicze przed dostpem gazów z atmosfery, s: argon, hel lub ich mieszanki.
Do napawania stosuje si druty pene o rednicy w granicach 0,5÷2,4 mm oraz
druty z rdzeniem proszkowym o rednicy od 1,2 do 4,8 mm. Napawanie moe by
przeprowadzone póautomatycznie lub automatycznie [31,32].
Przy napawaniu prdem staym z biegunowoci dodatni i natryskowym
przenoszeniu metalu przez uk uzyskuje si wydajno napawania w granicach
4 do 10 kg/h. Wad tego rodzaju procesu jest wysoki udzia metalu podoa
w napoinie, który wynosi 20÷40%.
Ograniczenie przetopienia metalu podoa nawet poniej 5% mona uzyska
przy napawaniu cienkimi drutami o rednicy 0,5 do 1,2 mm tzw. ukiem
23
uk. Napawanie ukiem zwarciowym ogranicza naprenia i odksztacenia
spawalnicze, a take umoliwia prowadzenie procesu w pozycjach przymusowych,
jednake wydajno napawania nie jest zbyt dua i nie przekracza
2÷3,5 kg/h [8,32,45,58]. Napawanie elektrod topliw w osonie gazów umoliwia
uzyskanie warstw o gruboci 0,5÷6 mm w jednym przejciu [8,45], chocia [32]
podaje nawet zakres 0,5÷10 mm.
Napawanie metod MIG mona prowadzi z licznymi modyfikacjami. Jedn
z nich pozwalajc na jeszcze wiksze ograniczenie nagrzania podoa, a tym
samym odksztace i napre spawalniczych, jest napawanie elektrowibracyjne
(wibrostykowe). Specjalna konstrukcja gowicy powoduje wibracj drutu wzdu jego
osi z czstotliwoci 50÷100 Hz przy amplitudzie równej w przyblieniu rednicy
drutu. Sposób ten jest czsto wykorzystywany przy napawaniu cienkich powok
o gruboci 0,5÷3 mm na obrotowe czci maszyn [8,45,49,58]. Obecnie ten rodzaj
napawania jest stosowany sporadycznie [44,49]. Podobny efekt jak dla napawania
elektrowibracyjnego mona osign przez zastosowanie napawania impulsowego.
Poprzez odpowiedni regulacj natenia prdu i czasów impulsów mona
racjonalnie dozowa ciepo i precyzyjnie przenosi metal przez uk, dziki czemu
wystpuje mniejsze przetopienie podoa i zmniejsza si udzia podoa w napoinie;
atwiejsze te jest napawanie w pozycjach przymusowych [32,58]. W przypadku
napawania grubych powok na duych powierzchniach mona zastosowa
dodatkowy drut wprowadzany w obszar uku z ewentualnym podgrzewaniem
oporowym (gorcy drut); wydajno procesu wrasta wówczas nawet do
20÷30 kg/h [8,32,49,58].
Napawanie elektrod topliw w osonie gazów umoliwia ukadanie powok
na czci maszyn i urzdze o praktycznie dowolnym ksztacie i wielkoci,
wykonanych ze stali wglowych i stopowych, staliwa, eliw stopowych, stopów
niklu, tytanu, miedzi i aluminium. Napawa mona warstwy ze stali niskostopowych,
wysokostopowych chromowych, chromowo-niklowych, stopów niklu, kobaltu, miedzi
i aluminium [8,32,45,58].
w porównaniu z innymi metodami napawania, moliwo napawania we wszystkich
pozycjach, brak ula. Do wad metody naley zaliczy: moliwo powstania porów
24
napawania na stanowiskach zabezpieczonych przed przecigami i podmuchami
powietrza [49].
3.2.5. Napawanie ukiem krytym W procesie napawania ukiem krytym ciepo uku elektrycznego jarzcego si
midzy elektrod topliw a napawanym przedmiotem, pod ochronn warstw
topnika, stapia materia elektrody i warstw przypowierzchniow przedmiotu, które
razem tworz napoin - rys. 3.8.
Rys. 3.8. Napawanie ukiem krytym [32]
ukiem krytym napawa si zasadniczo automatycznie, jedynie w pozycji
podolnej. Elektroda, odwijana z bbna automatu spawalniczego, jest podawana
w sposób cigy ze sta prdkoci w obszar napawania i moe by wykonana
w postaci drutu penego lub proszkowego, tamy penej albo proszkowej.
Topnik ochrania uk i jeziorko spawalnicze, rafinuje cieky metal napoiny,
reguluje jej skad chemiczny, stabilizuje uk, zmniejsza prdko odprowadzania
ciepa oraz wypywa na formowanie lica napoiny.
Dokadna osona jeziorka spawalniczego warstw topnika pomaga
w otrzymaniu napoiny o wysokiej jakoci, gadkim i równym licu, a stosowanie
duych nate prdu pozwala osign jedne z najwyszych wydajnoci
napawania, nawet powyej 40kg/h. Jednoczenie dua energia liniowa napawania
25
ukiem krytym sprawia, e udzia materiau podoa w napoinie przekracza moe
30÷40% i czsto konieczne jest nakadanie minimum dwóch a nawet trzech warstw,
aby zapewni wymagany skad chemiczny napoiny [8,31,32,45,58].
Znaczne wartoci energii liniowej przy napawaniu przedmiotów o zbyt maym
przekroju i sztywnoci mog spowodowa ich deformacje. Dlatego te napawanie
ukiem krytym stosowane jest wg [58] gównie do regeneracji duych elementów
o gruboci powyej 30 mm lub rednicy przedmiotów obrotowych powyej 100 mm,
a wg [8,32] mona napawa przedmioty paskie o gruboci 10÷30 mm i obrotowe
o rednicy 50÷60 mm.
Napawanie ukiem krytym moe by przeprowadzane z wieloma
modyfikacjami w stosunku do podstawowej z jedn elektrod. Naley do nich
midzy innymi wprawianie gowicy spawalniczej w ruch wahadowy, poprzeczny do
kierunku napawania. W ten sposób obniy mona gboko wtopienia w materia
podoa, zuycie topnika, przy równoczesnym zwikszeniu wydajnoci procesu.
Innymi metodami majcymi na celu zwikszenie wydajnoci napawania ukiem
krytym jest napawanie z wypeniaczem, z dodatkowym drutem elektrodowym
(zimnym lub gorcym) lub te napawanie wieloelektrodowe [8,31,32,45,58].
Typowa grubo warstwy uzyskanej w jednym przejciu wynosi
2÷8 mm [8,45,58], chocia w tej samej publikacji [45] i w [32] mona znale
informacj o moliwoci uzyskania warstw ponad 100 mm.
Napawanie ukiem krytym wykorzystuje si do nanoszenia warstw ze stali
niskowglowych, niskostopowych, wysokostopowych, stali specjalnych, stopów
niklu, kobaltu, chromu, eliw wysokochromowych oraz niektórych stopów miedzi
i aluminium [8,32,49].
w porównaniu z innymi metodami napawania, dua czysto metalurgiczna
napoiny, bezpieczne warunki pracy (niewidoczny uk spawalniczy), moliwy wysoki
stopie mechanizacji. Do wad procesu naley zaliczy konieczno prowadzenia
napawania w pozycji podolnej (najlepszej ze wzgldu na du objto jeziorka
spawalniczego oraz zsypywanie si topnika) ewentualnie naciennej
(z zastosowaniem zabezpieczenia przed zsypywaniem si topnika), stosunkowo
duy udzia materiau rodzimego w napoinie, brak moliwoci obserwowania
formowania napoiny podczas napawania oraz drogie urzdzenia i oprzyrzdowania
do napawania [4,49].
3.2.6. Napawanie plazmowe Napawanie plazmowe polega na stapianiu w uku plazmowym o bardzo
wysokiej temperaturze, rzdu 15 000÷20 000 K, materiau dodatkowego w postaci
proszku lub drutu, który wraz z nieznacznie nadtopionym materiaem podoa
tworzy napoin [31,32,49].
Gazami plazmotwórczymi s argon, hel lub ich mieszanki. Gazem
ochronnym jest argon, mieszanki argonu z wodorem lub helu z wodorem.
Napawanie moe by wykonane rcznie, póautomatycznie lub automatycznie
w pozycji podolnej lub w pozycjach przymusowych [31,32].
Jeeli jako materiay dodatkowe stosowane s druty lite i proszkowe, mona
spotka si z odmianami napawania plazmowego z tzw. zimnym lub gorcym
drutem (nagrzewanym oporowo) – rys. 3.9 oraz napawaniem plazmowym MIG –
rys. 3.10.
Rys. 3.9. Napawanie plazmowe gorcym drutem:
1 – elektroda wolframowa, 2 – gaz plazmowy, 3 – gaz ochronny, 4 – drut,
5 - podajnik, 6 – uk plazmowy, 7 – napoina, 8 – podoe [8]
Rys. 3.10. Schemat napawania plazmowego MIG:
1 – podajnik, 2 – drut, 3 – gaz plazmowy, 4 – gaz ochronny, 5 – uk plazmowy,
6 - uk MIG, 7 – napoina, 8 – podoe [8]
27
1 – elektroda wolframowa, 2 – gaz plazmowy, 3 – gaz transportujcy wraz
z proszkiem, 4 – gaz ochronny, 5 – uk plazmowy z przetopionym proszkiem,
6 - materia podoa, 7 – napoina [58]
Najpowszechniej stosowan technik napawania plazmowego jest
napawanie plazmowe proszkowe (rys. 3.11), w którym stosuje si granulowane
proszki metaliczne i ceramiczne. Polega ono na stapianiu w uku plazmowym
proszku o ziarnistoci 0,06÷0,3 mm i przenoszeniu go na nadtopione podoe.
Stopiony proszek po zakrzepniciu tworzy napoin o minimalnym udziale podoa,
nawet poniej 5%. Sprawno stapiania proszku, w zalenoci od jego skadu
chemicznego, wynosi 90÷95%. Dziki duej stabilnoci uku plazmowego moliwe
jest napawanie w szerokim zakresie zmian natenia prdu. Ze wzrostem
natenia prdu wzrasta wydajno napawania, ale równie i przetopienie
materiau podoa, a tym samym wzrasta jego udzia w napoinie. Gadkie i równe
lico napoin umoliwia w niektórych przypadkach zrezygnowanie z obróbki
mechanicznej [8,31,32,45,58].
Wydajno napawania w zalenoci od zastosowanej techniki napawania
wynosi od 0,5 do 15 kg/h [8,45], a nawet wg [31,32] dla palników plazmowych
o duej mocy - 22 kg/h. Grubo powok wykonanych w jednym przejciu zawiera
si w zakresie od 0,25 do 7 mm. Maa ilo ciepa wprowadzona do napawanego
przedmiotu umoliwia napawanie drobnych elementów, nawet o gruboci rzdu
3÷5 mm lub rednicy 20÷50 mm [8,45].
Wykorzystujc napawanie plazmowe mona wykona powoki z dowolnych
materiaów, midzy innymi ze stopów na osnowie kobaltu, niklu, elaza, chromu,
molibdenu, cyrkonu, miedzi i cyny, z udziaem metali trudno topliwych, a take
28
i obrotowych wykonanych ze stali wglowych, stopowych, odpornych na korozj,
staliwa oraz z niektórych gatunków eliw [8,31,32,45,58].
Do zalet napawania plazmowego naley zaliczy du czysto
metalurgiczn napoin, szeroki zakres gruboci ukadanych warstw w jednym
przejciu, ma gboko wtopienia, niski udzia materiau rodzimego, du
gadko napawanej warstwy (gboko nierównoci zazwyczaj nie przekracza
0,5 mm), a tym samym niewielkie naddatki na obróbk mechaniczn [2,4,45].
Wadami procesu s bardzo wysokie koszty urzdzenia do napawania
i drogie materiay dodatkowe. Napawanie plazmowe proszkowe musi by
prowadzone w pozycji podolnej. Ponadto autorzy [2,4,45] uwaaj, e ta odmiana
napawania plazmowego charakteryzuje si ma wydajnoci stapiania.
3.2.7. Zestawienie podstawowych parametrów technologicznych i uytkowych metod napawania
W tablicy 3.1 zestawiono charakterystyki omówionych wyej metod
napawania. Wartoci uytkowych parametrów zawartych w tej tablicy maj jedynie
charakter orientacyjny, gdy informacje podane w [1,2,3,4,8,31,32,45,49,58] czsto
znacznie róni si midzy sob i wynikaj z uwzgldnienia w tych ródach
moliwoci wykorzystania dodatkowego specjalistycznego wyposaenia majcego
wpyw na wymiary geometryczne napoiny i parametry wydajnociowe.
Tablica 3.1 Charakterystyki metod napawania [58]
Metoda napawania
Grubo napawanej
warstwy [mm]
Wydajno procesu
Udzia materiau podoa w napoinie naoonej w jednym
przejciu [%] Gazowe 0,05 – 3,5 0,5 – 5 2 – 10 Elektrod otulon 1 – 5 1 – 5 10 – 40
TIG 1,5 – 5 1 – 8 5 – 10 MIG 0,5 – 6 2 – 30 5 – 40
ukiem krytym 2 – 8 2 – 40 10 – 40
Plazmowe 0,2 – 15 0,5 – 40 5 – 15 Najbardziej perspektywiczn metod napawania brzem z przedstawionych
powyej wydaje si metoda MIG. Cechuje j dua wydajno procesu napawania
w stosunku do napawania rcznego elektrod otulon, gazowego i TIG.
29
Zwikszenie wydajnoci dwu ostatnich metod wymaga wzrostu kosztów na
dodatkowe wyposaenie. Napawanie ukiem krytym i plazmowe proszkowe mona
prowadzi jedynie w pozycji podolnej. Obie metody w porównaniu do napawania
metod MIG wymagaj kosztownych urzdze i oprzyrzdowania (szczególnie
napawanie plazmowe). Napawanie ukiem krytym ze wzgldu na wprowadzanie
duych iloci ciepa i niebezpieczestwo deformacji mona wykonywa jedynie na
przedmiotach o duych przekrojach. Wydajno napawania plazmowego do
napawania metod MIG dla maego udziau podoa w napoinie jest porównywalna.
Zwikszenie wydajnoci napawania plazmowego mona uzyska przez wzrost
natenia prdu, wówczas jednak wzrasta przetopienie materiau podoa i jego
udzia w napoinie [58]. Materia dodatkowy w postaci proszku dla napawania
plazmowego brzem ma równie wysz cen w stosunku do drutu litego do
napawania metod MIG. Powysze argumenty oraz uwzgldnienie wad i zalet
omówionych wczeniej metod przemawiaj za wyborem napawania elektrod
topliw w osonie gazów jako najbardziej ekonomicznej i uniwersalnej metody
napawania brzem.
Przygotowanie powierzchni jest operacj poprzedzajc napawanie
regeneracyjne lub technologiczne. Napawane powierzchnie powinny by
metalicznie czyste, pozbawione wad, w szczególnoci pkni, które mog
rozwin si w gb napawanego materiau pod wpywem napre
spawalniczych [32] oraz póniejszych obcie eksploatacyjnych w trakcie
uytkowania napawanego elementu. Napawanie powierzchni z nieusunitymi
pkniciami powoduje jedynie ich zakrycie i w konsekwencji moe by przyczyn
powanych awarii.
oczyszczenie oraz odtuszczenie. Niekiedy zachodzi równie potrzeba
wczeniejszego wykonania operacji prostowania caego elementu lub jego
fragmentu (np. czopa wau).
wymiarowe zuytej powierzchni oraz w celu usunicia wad zewntrznych [39].
30
nonej napawanego przedmiotu wymaga wykonania podcicia mieszczcego
napoin. Gbsze podcicia naley przewidzie dla napawania MIG/MAG ukiem
natryskowym ze wzgldu na wikszy stopie wymieszania metalu podoa
z napoin i konieczno uoenia co najmniej 2 lub 3 warstw napoin. Napawanie
ukiem zwarciowym lub pulsujcym powoduje mniejsze wymieszanie metalu
podoa z napawan warstw, std te moliwe jest uzyskanie odpowiedniego
skadu chemicznego ju w pierwszej warstwie, a tym samym wykonanie podcicia
o mniejszej gbokoci [32].
Okrelenie gruboci napawanej warstwy powinno uwzgldni take naddatek
na obróbk po napawaniu; warstwa napawana o zbyt maej gruboci podczas
obróbki wykaczajcej moe mie niskie wasnoci wytrzymaociowe i jest skonna
do pkania przy obcieniach gncych. Poza tym naley zwróci uwag na
dopuszczalne zmniejszenie rednicy lub przekroju z zachowaniem niezbdnego
zapasu trwaoci elementu [39]. Minimaln grubo napawanych przedmiotów [32]
uzalenia od techniki i energii liniowej napawania MIG/MAG i zaleca napawanie
warstw na elementy o gruboci co najmniej 6÷10 mm.
Jeeli na powierzchni wystpuje siatka pkni, to naley przez obróbk
skrawaniem usun warstw na pen gboko tych pkni. Niewykonanie tego
zabiegu i napawanie popkanej powierzchni moe by przyczyn, jak wspomniano
to wczeniej, pogbiania pkni spowodowanych napreniami spawalniczymi.
Napawanie popkanej powierzchni [39] dopuszcza tylko wówczas, gdy istnieje
gwarancja uzyskania wtopienia pierwszej warstwy na gboko pknicia.
Usunicie farb i innych zanieczyszcze staych w trakcie napawania
regeneracyjnego poprzez obróbk mechaniczn mona zastpi oczyszczaniem do
metalicznego poysku za pomoc rutowania, piaskownia oraz pomienia
acetylenowo-tlenowego. Zanieczyszczenia tuste usuwa si gorc wod lub staym
roztworem sody z zastosowaniem urzdze myjcych. Miejscowe dokadne
odtuszczenie przeprowadza si uywajc ropy naftowej lub nafty oraz innych
rozpuszczalników. Wytarcie powierzchni szmatami moe by mao skuteczne,
zwaszcza gdy smar i inne zanieczyszczenia tuszczowe pozostaj w zagbieniach
lub naroach. Takie zanieczyszczenia usuwa si przy uyciu palników gazowych.
Pyy i rozpryski spawalnicze usuwa si przy uyciu szczotki stalowej, papieru
31
ciernego i czyciwa. W miejscach z wskim dostpem pyy i rozpryski usuwa si
spronym powietrzem lub przez piaskowanie.
Podczas napawania moe zachodzi potrzeba ochrony ssiednich
powierzchni przed odpryskami, wzgldnie nawet przed pooeniem zbdnego
ciegu. W tym celu stosuje si znakowanie powierzchni chronionych, nakadanie
ochron oraz wypenianie otworów odpowiednimi wkadkami. Wkadki powinny
wystawa na tak wysoko, aby umoliwi proces napawania, a jednoczenie
zapewni moliwo ich usunicia po zakoczeniu napawania. Wkadki grafitowe
mona wykona z mieszaniny sproszkowanego grafitu i szka wodnego.
Wypenione ubytki mas grafitow naley nastpnie wygrza w temperaturze
100÷200ºC w cigu 2÷4 godzin.
Przed odpryskami powierzchnie zabezpiecza si przez powlekanie szkem
wodnym przy uyciu pdzla i nastpne osuszenie pokrytych powierzchni. Zamiast
szka wodnego mona stosowa inne rodki niepalne, jak np.: mleczko wapienne
lub roztwór wodny kredy, które stosuje si bezporednio przed napawaniem [39].
Obecnie przed odpryskami mona zabezpieczy powierzchnie przez
zastosowanie rónego rodzaju preparatów silikonowych w postaci past lub aerozoli;
preparaty te nakada si na ochraniane powierzchnie przed rozpoczciem
napawania.
32
4. Technologiczne parametry napawania brzem elektrod topliw w osonie gazów majce wpyw na jako, geometri i wydajno procesu napawania
Optymalne parametry napawania metod MIG/MAG s ustalane w podobny
sposób jak dla spawania t metod [32,43].
Omówienie doboru technologicznych parametrów napawania w tym
rozdziale dotyczy jedynie drutów litych, ze wzgldu niewykorzystywanie drutów
proszkowych przeznaczonych do napawania brzem w czci badawczej pracy.
Proces napawania prowadzi si zazwyczaj z biegunowoci dodatni na
elektrodzie. Zastosowanie takiej biegunowoci oraz maych nate prdu
i wysokiego napicia (wykluczajcego zwarcia) powoduje, e w osonie w osonie
gazów obojtnych drut lity stapia si grubokroplowo bez rozprysku – rys 4.1.
Odrywanie si kropli od koca drutu jest utrudnione i przenoszone s one przez uk
nieosiowo [32,49].
Rys. 4.1. Sposoby przenoszenia metalu w uku przy napawaniu metod MIG/MAG
drutem litym oraz ksztaty napoin [32]
Przy zwikszeniu natenia prdu powyej wartoci krytycznej, w osonach
gazów obojtnych (lub z dodatkiem co najwyej 20÷30% CO2 lub ok. 2÷5% O2),
charakter przenoszenia metalu w uku zmienia si z grubokroplowego na
drobnokroplowy, natryskowy rys. 4.1, tabl. 4.1. Udzia materiau podoa w napoinie
33
przy natryskowym przenoszeniu metalu w uku jest duy i wynosi 20-40%, przy
wydajnoci od 4 do ponad 20 kg/h [32].
Tablica 4.1 Minimalne wartoci natenia prdu krytycznego midzy grubokropelkowym a natryskowym przenoszeniem metalu w uku przy napawaniu brzem krzemowym drutem litym [32]
Rodzaj materiau drutu litego
100% Ar 270
Zwarciowe przenoszenie metalu w uku MIG/MAG stosowane jest tylko przy
napawaniu póautomatycznym prdem staym z biegunowoci dodatni drutami
litymi o rednicy 0,5÷1,2 mm. Ten sposób przenoszenia metalu w uku wystpuje
przy nateniach prdu napawania poniej krytycznego i znacznie niszym
napiciu uku ni przy kroplowym przenoszeniu metalu. Metal jest przenoszony
z elektrody topliwej do jeziorka napoiny tylko w czasie, gdy stopiony koniec drutu
jest zwarty z powierzchni jeziorka napoiny. Nie wystpuje swobodne przenoszenie
kropelek metalu przez uk, jak ma to miejsce przy grubokroplowym czy
natryskowym przenoszeniu metalu w uku. Elektroda zwiera si z ciekym
jeziorkiem napoiny ze sta czstotliwoci od 20 do ponad 200 zwar na sekund,
rys. 4.1. Napawanie cienkimi drutami o rednicy 0,5÷1,2 ukiem zwarciowym
(krótkim ukiem z grubokroplowym przenoszeniem metalu przez uk) zapewnia
minimalny udzia metalu podoa w napoinie, nawet poniej 5%, moliwo
napawania w pozycjach przymusowych oraz mae naprenia i odksztacenia
spawalnicze. Wydajno napawania jest jednake niewiele wiksza ni przy
napawaniu ukowym rcznym elektrodami otulonymi i nie przekracza 2÷3,5 kg/h,
a jednoczenie powstaje znacznie wikszy rozprysk metalu ni w przypadku uku
natryskowego [32,58].
natryskowego przenoszenia metalu w uku kropelki ciekego metalu drutu s
34
skierowane zawsze osiowo (wzdu osi drutu), niezalenie od jego pooenia, a do
osignicia przez prd napawania drugiego prdu krytycznego. Przy tym nateniu
prdu koniec drutu jest wyginany przez siy elektromagnetyczne uku i kropelki
metalu s przenoszone w kierunku jeziorka napoiny ruchem wirowym po torze
spiralnym, zapewniajc wysokie wydajnoci napawania i paskie, równe lico ciegu
napoiny o duej szerokoci, rys. 4.1 [32].
Podstawowymi nastawialnymi parametrami napawania elektrod topliw
w osonie gazowej s:
- napicie uku Un [V],
- rodzaj i natenie przepywu gazu ochronnego Q [l/min],
- rodzaj i rednica drutu elektrodowego ∅ [mm],
- dugo wolnego wylotu elektrody H [mm],
- biegunowo i rodzaj prdu,
- technika ukadania ciegów (np. podziaka napawania, parametry ruchu
wahadowego elektrody - czstotliwo, amplituda, ksztat toru),
- indukcyjno obwodu spawalniczego [32,49,70].
parametrach napawania powoduje zwikszenie natenia prdu napawania.
Prdko stapiania jest równa prdkoci podawania drutu elektrodowego [32,70].
Nadmierne obnienie prdkoci podawania drutu elektrodowego powoduje
zakócenie procesu napawania i niecigo napoiny [16,70].
Zwikszenie natenia prdu przy napawaniu MIG/MAG drutem litym
powoduje wiksz wydajno napawania, równoczenie wzrasta znacznie wielko
jeziorka napoiny i gboko przetopienia metalu podoa i wymieszanie stopionego
materiau podoa ze stopiwem [32,70]. cieg napoiny z paskiego o maym
przekroju staje si coraz bardziej wypuky, o grzybkowatym ksztacie, pojawiaj si
nacieki lica napoiny, a przejcie lica napoiny do napawanego materiau jest bardzo
35
ostre, co powoduje konieczno stosowania duej zakadki ciegów. W efekcie
udzia metalu podoa w napoinie z 30÷35% moe nawet wzrosn do ponad 40%.
Odpowiednia osona tak duego jeziorka napoiny przed dostpem powietrza
wymaga zastosowania dodatkowej osony gazowej wleczonej, szczególnie w
przypadku napawania stopami na osnowie niklu, miedzi czy kobaltu. Due gstoci
prdu, ok. 600÷700 A/mm2, oraz zwikszony wolny wylot drutu powoduje
zwikszenie wydajnoci napawania, nawet do 20 kg/h. Powyej wartoci krytycznej
natenia prdu, dla danej rednicy drutu, zmniejsza si wielko kropel, zwiksza
czstotliwo ich przejcia i poprawia stabilno uku. Przekroczenie drugiej
wartoci krytycznej natenia prdu powoduje, e drobne krople przemieszczaj
si po torze spiralnym i znacznie poprawia si wydajno napawania - rys. 4.1.
Gboko przetopienia podoa jest dua, a napawanie moliwe tylko w pozycji
podolnej lub nabocznej [32]. Podwyszenie natenia ponad ustalone granice
wywouje take przegrzanie napawanego elementu i odksztacenia termiczne.
Zmniejszenie udziau materiau podoa w napoinie mona osign wobec tego
przez napawanie prdem o stosunkowo niskim nateniu [70].
4.2. Napicie uku Napicie uku zaley od rodzaju stosowanej osony gazowej. Wzrost napicia
uku powoduje zwikszenie jego dugoci [49]. Dobór napicia powinien
uwzgldnia rodzaju i rednicy drutu, pozycj napawania, dugo wolnego wylotu
elektrody oraz skad gazu ochronnego, tabl. 4.3 [32]. Wedug autora pracy [32]
wzrost napicia uku przy napawaniu MIG/MAG drutem litym powoduje wyrane
zwikszenie szerokoci ciegu napoiny i nieznaczne gbokoci przetopienia
metalu podoa, maleje natomiast wysoko napoiny, czego efektem jest wzrost
udziau metalu podoa w napoinie. Natomiast wedug [70] napicie w maym
stopniu wpywa na zwikszenie gbokoci wtopienia lub zmniejszenie odksztace
termicznych. Obnienie napicia dla poprawy warunków termicznych napawania, tj.
zmniejszenia iloci wydzielonego ciepa, ograniczone jest warunkiem
zapewnieniem penej stabilnoci uku i na ogó sterowanie zjawiskami cieplnymi
dokonywane jest przy pomocy zmian natenia prdu.
Nadmierne napicie uku prowadzi do rozprysku, porowatoci i podtopie lica
napoiny, natomiast zbyt niskie powoduje, e pojawiaj si nacieki lica
napoiny [32,49]. Przy napawaniu MIG/MAG w pozycji podolnej zaleca si wysze
36
napicie uku ni w pozycjach przymusowych. Mniejsze napicie uku jest
wymagane przy napawaniu ukiem zwarciowym [32].
Napicie moe by róne przy pozostaych niezmienionych technologicznych
parametrach napawania dla rónych spawalniczych róde prdu, gdy zaley ono
take od charakterystyki prdowo-napiciowej róda prdu [49].
4.3. Prdko napawania Prdko napawania zaley od natenia prdu i napicia uku. Jej warto
dobiera si z uwzgldnieniem wydajnoci i jakoci formowania ciegów [32,49,70].
Nawet niewielka zmiana prdkoci napawania automatycznego MIG/MAG wymaga
korekty natenia prdu lub napicia uku [32]. Zwikszenie prdkoci napawania
sprawia, e napoina jest wsza i maleje gboko przetopienia podoa, a dalszy
wzrost prdkoci powoduje pojawienie si znacznych nierównoci lica napoiny
i podtopie [32,49]. Zbyt dua prdko napawania moe by przyczyn zakócenia
przebiegu procesu napawania i niecigoci napoiny [16]. Najwysze prdkoci
napawania, bez podtopie wg [32], mona uzyska przez zwikszenie wolnego
wylotu drutu i pochylenie palnika w kierunku napawania. Zmniejszanie prdkoci
napawania powoduje, e wzrasta gboko przetopienia podoa, szeroko
i wysoko napoiny [32,49]. Nadmierne obnienie prdkoci napawania moe by
take ródem przegrzania napawanego elementu. Z tego te powodu dobór
prdkoci napawania powinien uwzgldnia podziak napawania [70].
37
4.4. Skad chemiczny gazu osonowego Rodzaj gazu osonowego w metodzie MIG/MAG wpywa wedug
[10,14,22,32,40,42,49,55] na (rys.4.3):
atmosfery,
• geometri spoiny (napoiny),
• wygld powierzchni (ilo odprysków i ula powierzchniowego),
• procesy metalurgiczne,
Rys. 4.3. Wpyw gazu osonowego na proces spawania (napawania) metod
MIG/MAG [14]
Gazami ochronnymi stosowanymi w metodzie MIG s argon, hel lub ich
mieszaniny. W metodzie MAG wykorzystuje si gazy aktywne lub ich mieszaniny
z gazami obojtnymi. Podstawowymi wasnociami fizycznymi gazów ochronnych,
decydujcymi o wpywie na proces napawania, s: energia (potencja) jonizacji,
ciar waciwy (tabl. 4.2) i przewodnictwo cieplne – rys 4.4 [10,32,49].
38
Podstawowe wasnoci
Gsto w warunkach
Energia jonizacji [eV] 15,8 24,6 14,4 13,6 13,6 14,6
Energia dysocjacji [eV] - - 4,3 5,08 4,8 9,76
Ciepo waciwe cp
w warunkach normalnych
Temperatura wrzenia [°C] -185,37 -268,9 -78,5 -182,97 -252,77 -195,8
Rys. 4.4. Przewodno cieplna skadników gazów ochronnych [15,64]
Potencja jonizacji gazu ochronnego wpywa na atwo zajarzenia,
utrzymania stabilnego uku oraz warto napicia uku. Zajarzenie uku jest
znacznie atwiejsze i uk jarzy si stabilniej w osonie argonu ni w osonie
mieszanki argon + hel lub czystego helu. Stosowanie osony argonowej wywouje
mniejsze zmiany napicia uku przy duych zmianach dugoci uku. Osona helowa
powoduje, e nawet niewielkie zmiany dugoci uku wywouj znaczne zmiany
napicia uku i w efekcie iloci wprowadzanego ciepa do napawanego przedmiotu.
Wzrost napicia uku powoduje wzrost energii liniowej.
39
napoiny. Wysoki wspóczynnik przewodnictwa cieplnego helu sprawia, e sup uku
jest szeroki. Ciepo wprowadzane jest na wikszym obszarze powodujc
powstanie, napoiny szerokiej, do pytkiej, z gadkim, paskim licem. Argon
charakteryzuje si bardzo maym przewodnictwem cieplnym, tym samym uk
w osonie argonu ma gorcy i wski rdze oraz znacznie chodniejsz stref
zewntrzn. Napoina wykonana w osonie czystego argonu ma wskie i gbokie
wtopienie o ksztacie palcowym lub kielichowym oraz posiada wsze lico ni
w osonie helu, rys. 4.5 [6,10,22,32,35,55].
Rys. 4.5. Wpyw rodzaju osony gazowej i biegunowoci prdu spawania metod
MIG/MAG na sposób przenoszenia metalu w uku i ksztat ciegu spoiny [30]
Wedug [32] zawarto helu do 25% w osonie mieszanki argonowo-helowej
w stosunku do czystego argonu sprawia, e napoina jest szersza i bardziej paska,
a gboko przetopienia metalu podoa mniejsza.
Gsto gazu wpywa w znaczcy sposób na skuteczno osony gazowej.
Gazy cisze od powietrza takie jak argon czy dwutlenek wgla wymagaj
mniejszego przepywu gazu osonowego w stosunku do gazów lejszych, jak np.
hel, dla zapewnienia waciwej osony dla roztopionego metalu. Gsto gazu
ochronnego ma istotne znaczenie nie tylko ze wzgldu na oson uk
spawalniczego, ale równie po opuszczeniu przez gaz obszaru uku, gdzie
rozprzestrzeniajcy si gaz osania nagrzewany metal przed ukiem i stygnc
spoin za ukiem [10]. Wpyw gstoci gazu na dobór wydatku gazu osonowego
omówiono w punkcie 5.5.
Uywane do napawania metod MIG/MAG róne gazy osonowe oraz ich
zastosowania przedstawiono w tablicy 4.3.
Tablica 4.3 Gazy i mieszanki gazowe zalecane do napawania MIG/MAG drutami litymi i drutami proszkowymi z rónych metali i stopów [32]
Gaz ochronny Dziaanie chemiczne Rodzaj metalu napoiny
Ar Napawanie drutami litymi i drutami proszkowymi ze stopów niklu, kobaltu, miedzi i aluminium
He Napawanie drutami litymi ze stopów aluminium, miedzi i magnezu; zapewniona dua energia liniowa napawania
Ar + 20-80% He
obojtny
Napawanie drutami litymi i drutami proszkowymi ze stopów niklu, kobaltu, miedzi i aluminium
N2 Napawanie drutami litymi ze stopów miedzi z du energi liniow
Ar + 20-25% N2
redukujcy Napawanie drutami litymi ze stopów miedzi; dua energia liniowa uku; lepsze jarzenie si uku ni w osonie 100% N2
Ar + 1-2% O2 sabo utleniajcy
Ar + 3-5% O2 utleniajcy
Napawanie drutami litymi ze stali stopowych i stali wysokostopowych odpornych na korozj oraz drutami proszkowymi z rdzeniem metalicznym ze stopów kobaltu, niklu i elaza
CO2
Ar + 20-50% CO2
Wasnoci stopiwa (stopionego materiau dodatkowego) zale od skadu
chemicznego stopiwa jaki materia dodatkowy posiada przed stopieniem oraz od
warunków metalurgicznych i cieplnych w jakich przebiega proces stapiania.
Natomiast na wasnoci napoiny ma take wpyw stopie wymieszania stopiwa
z materiaem podoa. Na skad chemiczny, struktur, waciwoci mechaniczne
i korozyjne stopiwa oraz napoiny wpywa midzy innymi rodzaj zastosowanego
gazu osonowego. Rodzaj osony gazowej (utleniajca, redukujca, nawglajca)
i stopie jej aktywnoci chemicznej moe w pewnym stopniu zamieni te
waciwoci.
Jedynie osony cakowicie obojtne chemicznie, argon oraz hel nie
oddziauj na skad i struktur topionego metalu, a take nie rozpuszczaj si
w nim. Aktywne gazy osonowe wpywaj na waciwoci stopiwa przez zmian
zawartych w nich pierwiastków. W przypadku stali niestopowych i niskostopowych
41
gówne zagadnienie dotyczy utleniania (wypalania) przede wszystkim Mn, Ni, Si, i C
tlenem bdcym skadnikiem mieszanki osonowej (O2) i zawartym w CO2. Moe
równie wystpi wzrost zawartoci wgla, jeeli zastosowano mieszank bogat
w CO2. Procesy wypalania i nawglania zmieniaj gównie wasnoci mechaniczne
stopiwa [10].
Podobnie w przypadku brzów obecno tlenu w gazie osonowym powoduje
atwe utlenianie skadników metalu [47]; wpyw tego zjawiska zosta szerzej
omówiony w punkcie 6.1.
efekty zmiany wasnoci mechanicznych stopiwa s mniej wyrane i zauwaane
w sposób poredni. W tym przypadku gaz osonowy wpywa na gboko
wtopienia i szybko krzepnicia, która oddziauje na mikrostruktur napoiny [10].
Wedug [32] przez zmieszanie w odpowiednich proporcjach helu lub argonu
z gazami aktywnymi chemicznie uzyskuje si zmian charakteru przenoszenia
metalu w uku, pojawia si moliwo oddziaywania na procesy metalurgiczne
w jeziorku napoiny. Dodatek CO2 lub O2 do osony argonu zwiksza wyranie
natenie prdu krytycznego przy napawaniu MAG drutami litymi, lecz
jednoczenie wzrasta wydajno napawania, poprawia si stabilno jarzenia uku,
maleje rozprysk i obniaj si koszty napawania. Utleniajca atmosfera uku
powoduje wystpowanie na powierzchni napoiny wikszej iloci tlenku
i zmniejszenie pracy wyjcia elektronów z powierzchni jeziorka napoiny, w których
wystpuj. Zapewnia to stabilne jarzenie si uku i znacznie mniejszy rozprysk
metalu. Równie wyeliminowane s podtopienia lica napoiny, wynikajce
z bdzenia uku po powierzchni jeziorka napoiny. Metal jest przenoszony w uku
w sposób natryskowy i moliwe jest wyrane zwikszenie prdkoci napawania.
Emisja elektronów z tlenków zmierza do ich rozerwania nastpuje zjawisko
czyszczenia katodowego, co jest korzystne przy napawaniu stopów aluminium.
Jednake stosujc dodatki gazów aktywnych w mieszankach osonowych na
bazie argonu naley zwróci uwag na ich zawarto w gazie osonowym - rys. 4.6.
Wielko rozprysku zaley od iloci skadnika aktywnego w argonie. Zwikszenie
udziau procentowego H2, O2, CO2, N2 (dodatek helu do argonu nie powoduje
wzrostu rozprysku) w gazie osonowym podnosi poziom rozprysku. Tylko dla
1÷3% O2 i ok. 3% CO2 mona zaobserwowa jego zmniejszenie w stosunku do
czystego argonu [10].
42
Rys. 4.6. Wpyw udziau H2, O2, CO2, N2 w mieszance na bazie argonu na
rozprysk [10]
gazów osonowych przedstawiono w tablicy 4.4.
Tablica 4.4 Zalecane napicia uku przy napawaniu elektrod topliw w osonie gazu drutem brzowym litym przy natryskowym oraz zwarciowym przenoszeniu metalu w uku [32]
Natryskowe przenoszenie metalu w uku;
drut ∅ 1,6 mm
drut ∅ 0,9 mm Metal
Brzy 28 28-32 28-30 23-28 23
Opis wpywu mieszanek argonu z dodatkami O2 i CO2 z wykorzystaniem
drutu brzowego krzemowego na wasnoci uzyskiwanych pocze mona znale
w do licznych pozycjach literaturowych [7,12,26,27,53,54,56,57]. Praktyczne
wykorzystanie tych materiaów dodatkowych ograniczone jest najczciej obecnie
do lutospawania MAG cienkociennych stalowych blach ocynkowanych, blach
stalowych niestopowych i stopowych bez pokry oraz blach stalowych
z elementami miedzianymi.
ciekego metalu w jeziorku spawalniczym oraz znaczco poprawiaj rozpywalno
spoiwa i zwilalno materiau czonego. Dodatek tlenu lub dwutlenku wgla
zwiksza jak wspomniano wczeniej stabilno jarzenia uku i poprawia wygld
lutospoiny, niemniej jednak powoduje obnienie waciwoci plastycznych
poczenia. Wynika to prawdopodobnie z tworzenia na granicy ziarn tlenków miedzi
43
(Cu2O), które osabiaj mikrostruktur oraz mog by przyczyn kruchoci i pkni
np. podczas przeróbki plastycznej na zimno lub zaistnienia napre
w zczach [7,12].
Oprócz gazów celowo dodanych do mieszanek gazowych na bazie argonu
lub helu, naley zwróci równie szczególn uwag na zanieczyszczenia gazowe
wystpujce w gazach obojtnych, które mog wpyn na jako uzyskiwanych
napoin [10,36,43].
Zawarto wilgoci w argonie zaley gównie od przygotowania butli do
napenienia, powoduje utlenianie i rozprysk metalu przy napawaniu oraz sprzyja
powstawaniu porów [36].
niestabilny przebieg napawania. Powierzchnia napoiny jest nierówna i zabrudzona.
Azot w uku elektrycznym reaguje z niektórymi pierwiastkami, np. Fe, Al, Mn, Si,
tworzc niekorzystne zwizki. Utworzone w czasie napawania azotki glinu tworz
cis i trwa bonk na powierzchni elementów, która utrudnia uzyskanie dobrej
jakoci przetopu. Azot w argonie prowadzi te do zwikszenia strat metalu na
rozprysk (rys. 4.6) [10,36,43].
Wodór nie tworzy z elazem zwizków chemicznych, ale rozpuszczajc si
intensywnie w ciekym elazie moe powodowa tworzenie si pcherzy
i pkni [43].
Obecnie do napawania brzem najlepsze wydaj si by gazy obojtne ze
wzgldu na brak oddziaywania na skad oraz struktur topionego metalu i nie
rozpuszczanie si w nim. Naley jednak zwróci uwag na wiksze zuycie gazu
dla helu i mieszanek argonowo-helowych oraz trudniejsze zajarzanie uku i mniej
stabilny jego charakter. Argon z dodatkami tlenu i dwutlenku wgla nie jest obojtny
chemicznie na stopiony metal i w przypadku brzów jak wspomniano wczeniej
moe by przyczyn kruchoci i pkni.
Niektóre pozycje literatury [70] proponuj do napawania brzem oprócz
czystego argonu równie mieszaniny argonu z azotem, którego zalet jest nisza
cena mieszanki ni czystego argonu, jednake wad takiej mieszanki nie jest
cakowita obojtno wzgldem stopionego materiau i niedogodnoci w procesie
napawania, które omówiono powyej.
obszaru napawania tzn. uku, jeziorka spawalniczego i strefy do niego
przylegajcej, nawet przy poprzecznym przepywie powietrza wywoanym
przecigami lub wiatrem (rys. 4.4 i 4.5a) [32,49]. Praktyczn regu jest ustalanie
natenia przepywu wg kryterium 1,0 litra gazu ochronnego na minut na kady
milimetr rednicy dyszy gazowej [10,32].
Rys. 4.4. Wpyw prdkoci powietrza przepywajcego poprzecznie do osony uku
i dugoci wolnego wylotu drutu l, na wymagane minimalne natenie przepywu
gazu ochronnego przy spawaniu MIG uchwytem spawalniczym o rednicy dyszy
gazowej 16 mm [30]
Zuycie gazu osaniajcego w procesie napawania z oczywistych wzgldów
ekonomicznych naley minimalizowa [70]. Wpyw na ilo wydatkowanego gazu
ma dugo wolnego wylotu elektrody (rys.4.4) i jego wzrost przy niezmienionej
wartoci przepywu gazu pogarsza oson gazow - rys. 4.5f [70]. Wypyw gazu
z dyszy powinien by laminarny i skutecznie wypiera powietrze z okolic uku
i jeziorka napoiny. Zbyt may wydatek gazu nie zapewnia prawidowej osony
procesu napawania – rys. 4.5b, natomiast zbyt duy wydatek gazu powoduje
zaburzenia i zawirowania gazu z dyszy i w konsekwencji zasysanie powietrza do
osony - rys. 4.5c [10,25]. W trakcie napawania naley równie okresowo
oczyszcza dysz gazow z rozprysków, które take niekorzystnie wpywaj na
prowadzone prace spawalnicze i powstawanie wad – rys 4.5d.
45
Rys. 4.5. Wystpowanie wad w napoinie na skutek zej ochrony gazowej:
a) poprzeczny przepyw powietrza zdmuchuje oson gazow, b) za maa ilo gazu
osonowego, c) za dua ilo gazu osonowego – nastpuj zawirowania i dostaje
si powietrze, d) zmniejszony przekrój dyszy przez rozpryski metalu, co powoduje
zawirowania i dostawanie si powietrza, e) nadmierne pochylenie uchwytu
w stosunku do powierzchni spawanego elementu, co powoduje zasysanie
powietrza, f) za dua odlego dyszy gazowej uchwytu spawalniczego od materiau
podstawowego [25]
Ustalenie wartoci natenia przepywu gazu ochronnego musi uwzgldnia
równie gsto gazu osonowego (rys. 4.4). Argon jest okoo 10 razy ciszy od
helu i 1,5 raza ciszy od powietrza. Aby waciwie ochroni obszar napawania
przed dostpem powietrza, hel i jego mieszanki z argonem wymagaj zatem
proporcjonalnie wikszego wydatku ni w przypadku stosowania czystego argonu.
Zaproponowane przez [13,40] wartoci przepywu gazu zapewniajce odpowiedni
oson gazow wynosz:
- dla mieszanek zawierajcych 30% He i 70% Ar – 18 l/min,
- dla mieszanek zawierajcych 50% He i 50% Ar – 28 l/min,
- dla mieszanek zawierajcych 70% He i 30% Ar – 35 l/min,
- dla 100% He – 40 l/min.
Gsto zastosowanego gazu wpywa na zuycie gazu take w zalenoci
od pozycji napawania. Stosowanie gazów lejszych od powietrza wymaga
stosowania wikszego przepywu w pozycji podolnej, natomiast nie jest to
konieczne w przypadku pozycji pionowej w trakcie napawania w gór. Zwikszenie
46
ochronnego ze wzgldu na wzrost prnoci par topionych metali, dysocjacji
gazów, wiksz ilo oparów i dynamik procesów w uku. Stosowanie
pochaniacza dymów w uchwycie spawalniczym wymaga zwikszenia wydatku
gazu o okoo 10÷15 %. Kt midzy dysz gazow a napawanym materiaem
mniejszy ni 45º powoduje niedostateczn oson. Naley go wówczas
odpowiednio skorygowa, a nie zwiksza zuycia gazu, poniewa regulacja
wydatkiem gazu powoduje turbulencje gazu i jest nieskuteczna - rys. 4.5e [10,55].
4.6. Rodzaj drutu Polska Norma (PN-70/M-69413) przewiduje jako spoiwa brzowe dwa
rodzaje drutów SB7 i SBK31, ich skad chemiczny podany jest w tablicy 4.5.
Tablica 4.5 Skad chemiczny drutów brzowych SB-7 i SBK-31
Skad chemiczny, % Cecha spoiwa skadniki stopowe dopuszczalne zanieczyszczenia max
Cu Sn Si Mn P Pb Fe P ogóem SB7 reszta 6,0-7,0 - - 0,1-0,4 0,1 0,1 - 0,3
SBK31 reszta - 2,8-3,5 1,0-1,5 - 0,03 0,3 0,05 1,1 Zawarto niklu w spoiwie SBK31 nie zalicza si do zanieczyszcze.
Drut SB7 [70] zaleca uywa, jeli napoina bdzie powierzchni pracujc,
a SBK31, gdy bdzie tylko warstw uzupeniajc.
Napoiny z drutu SBK31 maj dobre wasnoci wytrzymaociowe oraz s
odporne na korozj i dziaanie kwasów. Brzy te maj równie dobre wasnoci
spawalnicze ze wzgldu na zawarto krzemu, który dziaa jako odtleniacz. Druty
elektrodowe SB7 daj napoin bardziej plastyczn i o mniejszej twardoci ni druty
SBK31. Napoiny s bardziej odporne na korozj i dziaanie kwasów oraz maj
lepsze wasnoci spawalnicze [70].
Naley zwraca szczególn uwag na czysto drutów elektrodowych
nawinitych na specjalne szpule. Nawet bardzo cienka powoka brudu moe mie
zasadniczy wpyw na jako napoiny [70]. Druty powinny by czyste, gadkie, bez
korozji, brudu i smarów. S dopuszczalne lady cignienia, ale bez zanieczyszcze
grafitem i siark. Kada szpula powinna by nawinita z jednego odcinka drutu
o regularnych i niespltanych zwojach. Druty w czasie magazynowania i transportu
powinny by chronione przed uszkodzeniami mechanicznymi, zabrudzeniem,
47
zamoczeniem i utlenieniem. Druty powinny by skadowane w magazynach
czystych i suchych, bez pyów i oparów substancji chemicznych, które mog
wchodzi w reakcj z drutem elektrodowym [25].
Obecnie oprócz przewidzianych Polsk Norm drutów mona na rynku
znale wiele innych rodzajów drutów brzowych (take proszkowych [21,29])
oferowanych przez przedstawicieli firm zagranicznych, które mog by
wykorzystane do napawania powierzchni brzem.
4.7. rednica drutu rednica drutu elektrodowego decyduje o gstoci prdu, a tym samym
o gbokoci wtopienia i sposobie przenoszenia metalu w uku spawalniczym,
rys 4.1 [32,49].
powoduje zmniejszenie wymieszania materiau dodatkowego z metalem
podoa [55]. W pracy [49] zjawisko to wyjaniono tym, e wzrost rednicy drutu
powoduje zwikszenie rozmiaru kropel, zmniejszenie koncentracji strumienia
gazów i par metalu. W wyniku tego zmniejsza si jednostkowe oddziaywanie
siowe uku i intensywno strumienia cieplnego, a tym samym zmniejsza si
gboko i pole przekroju wtopienia.
Druty lite o maej rednicy 0,5-1,2 mm wykorzystuje si do napawania
zrobotyzowanego oraz napawania maych elementów i w pozycjach
przymusowych. Wiksze rednice drutów od 1,2 do nawet 4,0 mm zaleca si do
napawania póautomatycznego lub zmechanizowanego i automatycznego
przedmiotów o duych powierzchniach w pozycji podolnej, ukiem natryskowym lub
wirujcym [32].
48
4.8. Dugo wolnego koca elektrody Wolny wylot elektrody jest to odlego od koca drutu elektrodowego do
najbliszego punktu kontaktu elektrycznego kocówki prdowej – rys. 4.9 [49].
Rys. 4.9. Wolny wylot drutu elektrodowego i odlego kocówka prdowa-element
spawany; 1 – dysza gazowa, 2 – kocówka prdowa [49]
Wielko wolnego wylotu elektrody ma wpyw na intensywno
podgrzewania oporowego drutu midzy stykiem prdowym a stapiajcym si
kocem drutu elektrodowego. Wzrost dugoci wolnego wylotu elektrody, przy tym
samym nateniu prdu, zwiksza wydajno napawania MIG/MAG, maleje za
gboko przetopienia metalu podoa i jego udzia w napoinie [32,49].
Wzrost dugoci wolnego wylotu elektrody przesuwa zakres krytyczny prdu
w kierunku mniejszych wartoci, natomiast ze wzrostem rednicy drutu zakres
krytyczny wystpuje przy coraz wyszych nateniach prdu - rys. 4.10 [43].
Rys. 4.10. Wpyw dugoci wolnego wylotu elektrody i rednicy elektrody na
pooenie zakresu krytycznego prdu [43]
Przy zbyt duym wolnym wylocie elektrody, ale jeszcze w zakresie
przenoszenia zwarciowego metalu, wystpuj zakócenia stabilnoci jarzenia uku
elektrycznego, tzw. strzelanie uku, czemu towarzyszy nadmierna ilo
rozprysków [43,49]. Naley wówczas wedug [32] zwikszy odpowiednio napicie
49
obwodu napawania i prdko podawania drutu (natenie prdu) w celu
kompensacji strat energii uku.
wczeniej w punkcie 4.5.
Dugo wolnego wylotu drutu litego przy napawaniu ukiem zwarciowym
powinna by utrzymywana w granicach 6-15 mm, a przy napawaniu ukiem
natryskowym 18-25 mm, w zalenoci od rodzaju materiau drutu [49]. Wiksze
wartoci wolnego wylotu elektrody w pracy [32] zaleca si tylko do napawania
automatycznego MIG/MAG.
zmechanizowanego spawania MIG/MAG podawana jest odlego kocówki
prdowej od powierzchni spawanego elementu – rys. 4.9 [49].
4.9. Biegunowo i rodzaj prdu Proces napawania MIG/MAG najczciej prowadzi si prdem staym
o biegunowoci dodatniej na elektrodzie bez wzgldu na rodzaj drutu. Natomiast
zmiana biegunowoci na ujemn w wikszoci przypadków drutów elektrodowych
wie si ze zmniejszeniem stabilnoci jarzenia uku i zwikszeniem rozprysku.
Tylko dla pewnych gatunków drutów proszkowych zaleca si stosowanie
biegunowoci ujemnej na elektrodzie, a dziki skadnikom rdzenia topnikowego
stabilizujcym uk, rozprysk metalu w uku jest wówczas minimalny [32,49].
Napawanie MIG/MAG prdem staym pulsujcym pozwala na zmniejszenie
natenia prdu krytycznego w stosunku do napawania stabilnym prdem staym
z biegunowoci dodatni. Zapewnia to mniejsze gbokoci przetopienia podoa
i mniejszy udzia metalu podoa w napoinie, pozwala równie na atwiejsze
napawanie w pozycjach przymusowych. Za pomoc odpowiedniej regulacji
parametrów impulsowania prdu jest moliwa dokadna regulacja przenoszenia
metalu w uku. Na prd podstawowy Ip jarzcego si w sposób cigy uku
z biegunowoci dodatni nakadane s krótkotrwae impulsy prdu Ii, które
zwikszaj prdko topienia koca elektrody oraz formowania i odrywania kropli
metalu, rys. 4.11.
Rys. 4.11. Przebieg zmian natenia prdu staego pulsujcego; Ip – natenie
prdu podstawowego, Ii – natenie prdu impulsu, ti – czas trwania impulsu, tp –
czas trwania przerwy midzy impulsami, Ir – rednie natenie prdu [49]
Przenoszenie metalu elektrody w uku mona dokadnie regulowa przez
odpowiedni zmian podstawowych parametrów impulsowania prdu tak, e przy
kadym impulsie prdu z koca drutu odrywa si jedna kropla metalu o okrelonych
wymiarach [32,49]. W zalenoci od rodzaju metalu drutu i pozycji napawania [32]
zaleca czstotliwo impulsów prdu 30÷100 Hz .
Pewne gatunki drutów proszkowych topnikowych, zawierajce w rdzeniu
topnikowym pierwiastki stabilizujce uk, umoliwiaj równie napawanie prdem
przemiennym, zapewniajcym wyeliminowanie zjawiska ugicia uku [32].
4.10. Kty nachylenia elektrody Pochylenie gowicy spawalniczej lub palnika wzgldem powierzchni
napawanego przedmiotu (podobnie pochylenie przedmiotu) wpywa na ksztat
wtopienia – rys.4.12.
Pochylenie uchwytu spawalniczego w kierunku napawania zwiksza gboko
wtopienia, natomiast pochylenie w kierunku przeciwnym zmniejsza t gboko
wraz z jednoczesnym zwikszeniem wysokoci nadlewu napoiny [49].
51
Autor pracy [70] uwaa, e kty nachylenia elektrody α i β wpywaj na
stabilizacj uku. Warto optymalnych któw jest zwizana ze rednic elektrody;
im wiksza jej rednica tym mniejszy winien by kt α oraz wikszy kt β
- (rys. 4.13).
wynosz:
- przy napawaniu drutem ∅ 2,0: α=5° i β=10° [70].
Rys. 4.13. Schemat ustawienia kocówki elektrody [70]
Autor pracy [32] twierdzi, e pochylenie gowicy spawalniczej lub palnika
wzgldem powierzchni napawanego przedmiotu (podobnie pochylenie przedmiotu)
zapewnia takie same efekty, jak przy napawaniu ukiem krytym (rys. 4.14).
Rys. 4.14. Wpyw podziaki midzy ciegami (a), pochylenia bocznego elektrody (b)
i ustawienia elektrody wzgldem przedmiotów o powierzchni cylindrycznej na
ksztat ciegów napoiny i udzia metalu podoa w napoinie (c) [32]
52
przez zastosowanie techniki napawania wielowarstwowego z pierwsz warstw
uoon prostymi ciegami kotwiczcymi, z odstpem midzy nimi równym 10-50%
szerokoci ciegu, rys. 4.15. ciegi kotwiczce pierwszej warstwy s ukadane
z odstpem, a ciegi drugiej warstwy i nastpnych bez odstpu z zakadk 10-30%
szerokoci ciegu b.
powierzchni obrotowych i paskich w celu zmniejszenia: udziau metalu podoa
w napoinie, napre i odksztace spawalniczych w napawanych
przedmiotach [32]
Przedmioty o powierzchniach obrotowych zaleca si napawa ukadajc
ciegi po torze spiralnym w przypadku krótkich czopów, natomiast dugie waki
i powierzchnie paskie ciegami równolegymi, rys. 4.16-17. Pierwsze ciegi
kotwiczce zaleca si napawa drutem o maej rednicy, ok. 0,8-1,2 mm, ukiem
natryskowym pulsujcym, aby zapewni wysokiej jakoci poczenie napoiny
z metalem podoa, przy stosunkowo maym jego udziale w napoinie. Pierwsza
warstwa napoiny jest ukadana z odstpem midzy ciegami, dlatego te naley
zastosowa mae natenie prdu, jednak na tyle due, by nie wystpi brak
przetopu. Napawanie drugiej i nastpnych warstw napoiny z zakadk
poszczególnych ciegów, ok. 10÷50% szerokoci ciegu, mona przeprowadzi
stosujc drut o wikszej rednicy 2,0÷2,4 mm i odpowiednio wiksze natenie
prdu, zalene od odstpu midzy ciegami. Im mniejszy jest odstp midzy
ciegami kotwiczcymi pierwszej warstwy, tym wiksze moe by natenie prdu
i wydajno napawania, bez nadmiernej gbokoci przetopienia podoa [32].
53
Rys. 4.16. Zalecane techniki ukadania ciegów przy napawaniu GMA przedmiotów
o paskich powierzchniach [32]
Rys. 4.17. Zalecane techniki ukadania ciegów przy napawaniu GMA przedmiotów
o powierzchniach obrotowych: a) dugich waków, b) krótkich czopów [32,45]
Kolejnym rozwizaniem zapewniajcym zmniejszenie udziau metalu
podoa w napoinie jest napawanie pierwszego ciegu przy mniejszym nateniu
i napiciu uku, nastpnie ukadanie kolejnych ciegów przy optymalnych
parametrach napawania z zakadk 30-50% szerokoci ciegu oraz odchyleniem
palnika od pionu pod ktem 30÷50° i skierowaniem uku na cieg poprzedni,
rys. 4.14a - b.
Kolejno ukadania ciegów napoiny powinna by tak ustalona, aby rozkad
napre i odksztace by symetryczny, a ich wielkoci moliwie
najmniejsze [32,45].
automatyczne MIG/MAG przedmiotów o duych powierzchniach zaleca si
54
przeprowadza z wahadowym ruchem gowicy spawalniczej, a tor ruchu powinien
by dobrany tak, aby uzyska paskie i równe lico napoiny, bez podtopie,
z równomiernym wtopieniem w podoe. Zakadka ciegów przy napawaniu
szerokimi ciegami z ruchem wahadowym gowicy powinna wynosi ok. 6÷15 mm
w zalenoci od gruboci i szerokoci ciegu. Dla zapewnienia paskiej i równej
powierzchni napoiny zakadka midzy ciegami prostymi powinna mieci si
w zakresie 30÷50% szerokoci ciegu – rys. 4.18 [32].
Rys. 4.18. Zalecane wartoci podziaki i tory ruchu wahadowego gowicy
spawalniczej przy napawaniu automatycznym MIG/MAG oraz ich wpyw na ksztat
ciegu napoiny [32]
na grubo napawanej warstwy, jako poczenia napoiny z materiaem rodzimym
elementu oraz gadko powierzchni napoiny. Warto podziaki napawania celem
uzyskania najkorzystniejszego wartoci wtopienia moe by dobierana w wskich
granicach. Zbyt maa podziaka powoduje czciowe nakadanie si napawanych
warstw oraz podtapianie poprzedniego ciegu, przez co nie mona uzyska gadkiej
powierzchni napawanej. Materia rodzimy jest przy tym czciowo izolowany od
roztopionego metalu drutu elektrodowego, przez co zmniejsza si udzia metalu
podoa w napoinie. Zwikszenie gruboci napawanej warstwy t metod jest
jednak w kadym przypadku osigane kosztem gadkoci napoiny.
Zwikszenie wydajnoci automatycznego napawania MIG/MAG stosowane
gównie do grubych powok na duych powierzchniach, mona osign przez
zastosowanie dodatkowego drutu wprowadzanego w obszar uku (rys. 4.19)
55
Rys. 4.19. Proces napawania automatycznego MIG/MAG zimnym drutem [32]
4.12. Indukcyjno obwodu spawalniczego W trakcie zmechanizowanego napawania w osonie gazów istotne znaczenie
dla poprawnego przebiegu procesu ma dynamiczna charakterystyka róda prdu,
a szczególnie prdko narastania prdu zwarcia. Decyduje ona midzy innymi
o iloci rozprysków i wygldzie lica (rys. 4.21). Prdkoci narastania prdu zwarcia
mona sterowa przez zmian indukcyjnoci obwodu spawania lub/albo w pewnym
zakresie przez zmian nachylenia charakterystyki spawalniczego róda prdu
(jeeli jego konstrukcja na to pozwala). Optymalna warto indukcyjnoci zaley od
takich czynników, jak materia i rednica drutu elektrodowego, natenie prdu
spawania, napicie uku oraz rodzaju gazu osonowego [43,49].
Rys. 4.21. Zaleno wygldu lica napoiny (a) od szybkoci narastania prdu
zwarcia (b) [43]
Stabilno procesu przy zwarciowym przenoszeniu metalu w uku zaley od
wartoci prdu zwarcia oraz od szybkoci i charakteru jego narastania i opadania.
Jeeli szybko ta jest nadmierna, nastpuje wzrost iloci rozprysków, gdy jest zbyt
maa, to powstajce siy elektromagnetyczne s niewystarczajce do odcicia szyjki
pomidzy kropl a kocem elektrody. Kropla zanurza si wtedy w jeziorku, gdzie
odrywana jest w sposób wybuchowy, powodujc rozpryski oraz zaburzenia
w odrywaniu kolejnych kropli (rys. 4.22).
Rys. 4.22. Przebieg prdu i napicia przedstawiajcy niestabilne jarzenie si uku
zwarciowego przy spawaniu MAG spowodowane le dobran indukcyjnoci [43]
Waciwy dobór indukcyjnoci ma szczególne znaczenie przy zwarciowym
przenoszeniu metalu w uku, zapewnia ona nie tylko stabilne jarzenie si uk, ale
take prawidowy ksztat ciegu i ma ilo rozprysków. Optymalny dobór
indukcyjnoci cechuje stabilny uk, wydajcy charakterystyczny jednakowy dwik,
jeziorko spawalnicze utrzymuje stae wymiary, uk spawalniczy równomiernie
omiata czone brzegi, a transport metalu jest równomierny, tzn. nie zauwaa si
wybuchów oraz duego rozprysku. Zbyt ma indukcyjno charakteryzuje
„strzelanie uku”, duy, ale równomierny rozprysk. Zbyt du indukcyjno mona
pozna po grubszych kroplach metalu i pojedynczych wybuchach poczonych
z grubymi nieregularnymi rozpryskami [43].
57
Napawanie brzem wykorzystywane jest przy napawaniu elementów
wykonanych ze stali jak i powierzchni wykonanych z brzu lub innych stopów
miedzi.
W trakcie ukadania warstw z brzu na podou stalowym mona rozróni
dwa przypadki. W pierwszym przypadku najwczeniej nanoszona warstwa brzu
napawana jest bezporednio na podoe stalowe. Drugi przypadek wystpuje
w czasie napawania wielowarstwowego, kiedy ukadanie drugiej i kolejnej warstwy
odbywa si na wykonan wczeniej napoin z brzu, a nie bezporednio na stal.
Proces napawania brzem powinien by zawsze poprzedzony
przygotowaniem powierzchni do napawania omówionym w rozdziale 3.3. Czsto
zachodzi równie potrzeba podgrzania elementu do odpowiedniej temperatury i jej
kontrola w trakcie ukadania napoin. Po napawaniu konieczne by moe
odpowiednie chodzenie czy nawet specjalna obróbka cieplna.
Zalecenia technologiczne odnonie temperatur wstpnego podgrzania oraz
zachowania odpowiednich temperatur w trakcie procesu napawania przedstawione
s w tablicy 5.1.
podgrzania powierzchni napawanej do temperatury 100÷300°C przy ukowym
napawaniu stali. Temperatur podgrzania uzaleniaj one od wielkoci przedmiotu
napawanego i gatunku materiau dodatkowego.
Zastosowanie podgrzewania wstpnego, kontrol temperatury w czasie
napawania oraz powolne studzenie czy te zastosowanie specjalnej obróbki
cieplnej [32] uzasadnia zapobieganiem powstawaniu pkni w napoinie i materiale
podoa, jak równie zmniejszeniem odksztace spawalniczych i udziau metalu
podoa w napoinie.
napawanej, która moe by powodem powstawania porowatoci napoin [11,59].
Napawane warstwy brzu powinny cechowa si brakiem pkni, porów
i pcherzy gazowych. Spenienie tych warunków w przypadku napawania brzem
wymaga dostarczenia duych iloci ciepa przez napawanie z duymi energiami
liniowymi lub te zastosowanie wstpnego podgrzania. Zastosowanie duych
energii liniowych (duych nate prdu) w napawaniu ukowym powoduje
58
Temperatura wstpnego podgrzania przy metodzie napawania
[°C]
[°C] Materia
podstawowy Materia
Obróbka po napawaniu
1 2 3 4 5 6 7 8 9 Brz aluminiowy poniej 9% Ala CuAl A-1 proces
nie stosowany nie
Brz aluminiowy 9-13% Ala
150 nie podgrzewab
nie podgrzewa max 200 max 200b max 200 chodzenie w powietrzu
Brz aluminiowy powyej 13% Ala CuAl D, E min. 600 min. 600b proces
nie stosowany min. 600 min. 600b proces nie stosowany
szybkie chodzenie od 600°C za pomoc wentylatora lub cigu kominowego
Brz krzemowy CuSi, -A CuAl A-2
nie podgrzewa
nie podgrzewa
nie podgrzewa max. 65 max. 65 max. 65 chodzenie w powietrzu
Brz cynowy CuSn A, C, D 200 nie podgrzewa
nie podgrzewa 200 200 200 szybkie chodzenie od 200°C za pomoc wentylatora
lub cigu kominowego
nie podgrzewa
CuAl A-2 260 nie podgrzewab
nie podgrzewa 260 260 260 chodzenie w powietrzu
CuAl A-1 proces nie stosowany
nie podgrzewa
nie podgrzewa
proces nie stosowany max. 65b max. 65 chodzenie w powietrzu
CuAl A-2, B, C nie podgrzewa
nie podgrzewab
nie podgrzewa nie wymagana max. 315b max. 315 chodzenie w powietrzu
CuAl D, E nie podgrzewa
nie podgrzewab
stosowany chodzenie w powietrzu
nie podgrzewa
nie podgrzewa nie wymagana max. 315 max. 315 chodzenie w powietrzu
Stale wglowe do 0,4% C
CuZn B, C, D, E proces nie stosowany nie wymaganac proces nie
stosowany proces nie stosowany max. 315 proces nie
stosowany chodzenie w powietrzu
CuAl A-2, B, C min. 200 min. 200b min. 200 200÷315 200÷315b 200÷315 wolne chodzenie z temperatury midzyciegowej w azbecie Stale wglowe powyej 0,4% C Stale stopowe i eliwa
CuAl D, Ed min. 200 min. 200b proces nie stosowany 200÷315 200÷315b proces nie
stosowany wolne chodzenie z temperatury midzy